老年人家用智能药箱的设计与研究

赵 培，解丹婷，孟 卓

(陕西能源职业技术学院智能制造与信息工程学院, 陕西 咸阳 712000)

据国家卫生健康委员会最新数据显示，我国超过1.8亿老年人患有慢性病，并且患有两种及以上慢性病的比例高达75%[1]。慢性病老人需要长期服用药物，通常需要服用的药物种类和数量都较多。由于老年人特殊的生理特点，在服药过程中经常出现错服、漏服药物的情况[2]，因此迫切需要一种能够有效辅助老年人居家用药的智能设备。

1 常见智能药箱的概括分析

目前市场智能药箱大致分为以下3种类型[3-4]：1)可携带型，如图1(a)所示，药物被放置于不同的格子内，可以避免药物之间的相互污染，并且中间配有闹铃装置，可定时提醒用户服药。此类装置结构简单，成本较低，但是产品存在密封问题，不能够长期储存药物。2)医用型，如图1(b)所示，药物被保存在恒温恒湿的装置之中，并且可以同时放置注射器、消毒棉签等其他医用药物。装置搭载智能语音系统，可以设置铃声以及人声提醒用户用药。此类装置能够很好地保存药物，人机交互界面更加人性化。但此类装置一般体积较大，多用于诊所、医院等场所。3)智能型，如图1(c)所示，此类装置是对医用型智能药箱的家用化演变。搭载智能操作系统，能够实现及时提醒用户用药、检测用户用药状态、检测剩余药物数量等功能。此类智能化程度较高，但对于用户服药过程仍局限于提醒、监测阶段，用药过程仍需用户自主完成。

图1 几类常见的智能药箱装置

如上所述，目前市场现有的智能药箱大都没有完全考虑老年人特殊的生理特点和生理需求。在需要服用不同种类、不同数量药物的情况下，老年人往往需要在他人帮助下才能完成整个服药过程。

2 自动配药模块设计方案

2.1 自动配药模块的功能需求

自动配药模块的具体实现需要满足两个需求：首先是对于药物种类的分离。考虑到混杂药物识别过程较难的问题，并且为避免不同药物之间的相互污染，采用不同药物分开存储的结构形式。其次需要对每种药物按照规定数目进行提取。因此结构设计中需要考虑对药物进行提取、计数以及最终出药3个功能的实现。

结合上述两种功能需求，本文将整个自动配药模块进行分块设计，分块原则按照药物的种类进行划分。在药物种类划分完成之后，每个模块兼备提取、计数以及最终出药3个功能。下面对单类药物自动配药模块的实现进行详细介绍。

2.2 单类药物自动配药模块的设计方案

单类药物配药模块的实现需要装置具备以下功能：取药、计数、出药。图2为单类药物配药模块设计方案。如图所示，模块整体由13部分组成。首先，用户按照药物的种类，将同种药物放入相应的储药箱中，当取药模块接收到取药信号后，电机驱动拉线1带动分粒盘沿着导轨向左移动，其间压缩弹簧1。待分粒盘达到指定位置，电机停止驱动，此时储药箱中的药物将落入分粒盘的分粒孔中。然后驱动电机反向旋转，之前受压的弹簧能够保证分粒盘向右移动到初始位置，此时分粒盘上的分粒孔与落药通道重合，实现落药功能。

1—储药箱;2—药片;3—分粒盘;4—药片计数器;5—落药通道;6—出药盒;7—弹簧2;8—导轨;9—拉线2;10—电机1;11—电机2;12—拉线1;13—弹簧1

在落药通道中间安装一个药片计数器，用于判断取药过程是否成功。取药失败以及需要多次取药，则重复上述的取药过程，直至药片数量达到用户设定数量，最终实现药物数量的计数功能。

不同药物的取药计数过程与上述过程相同，并且所有类型药物取药之后都统一落到出药盒。待设置中所有类型药物的取药动作完成之后，下一步则是将装有配好药物的出药盒弹出以供用户使用。如图1所示，此时电机驱动拉线2带动出药盒向右移动，实现出药功能。注意，此处的弹簧初始位置为压缩状态，出药过程利用弹簧的弹性势能作为驱动。待用户取出药物后，电机1将驱动出药盒向左移动到初始的闭合位置。

另外，针对目前市场上药物种类繁多、外形尺寸复杂多样的问题如图3所示，本文对于分粒盘上分粒孔进行了多样化设计。对于不同外形的药物，只需更换不同的分粒盘即可满足用户多样化的需求。另外针对个别异型药片，可专门定制分粒盘。

图3 常见药物外形图

3 智能药箱的结构设计

整体结构按照2.2节设计方案设计。其中自动配药模块按照4种药物进行结构设计，其三维设计模型如图4所示。

图4 自动配药模块三维模型

4 自动配药模块控制系统设计

自动配药模块控制系统原理图如图5所示，按照用户设定每个处方药物的种类以及药物的数量。首先，在控制系统接收到自动配药命令之后进行药物种类的选择，确定药物种类之后，按照用户设定药物的数量，驱动每个配药模块工作。待完成用户设定的所有药物种类及数量的配药动作之后，控制系统发送出药指令，完成出药过程。

图5 自动配药模块控制系统原理图

5 智能药箱总体结构与控制系统

总体来讲，智能药箱对于药物处理部分的功能基本完善，还需要添加的是智能药箱的外壳以及整体控制系统的硬件部分。

本文本着简洁、美观的理念设计智能药箱外壳，智能药箱整体结构图如图6所示。

1—控制系统；2—外壳；3—自动配药模块

对于智能药箱整体控制系统，本文集成目前市场上智能药箱搭载的智能化模块[2,5]。智能药箱控制系统整体框架原理图如图7所示。在实现药箱储存药物以及自动配药两项功能之外，增加用户信息显示、药物信息存储、数量检测、语音/信息提醒、自动配药以及用户取药状态采集等功能。

图7 控制系统整体框架原理图

另外，本文的设计已增加远程服务器存储智能药箱客户端的相关信息。监管用户可以通过远程服务器端对智能药箱端的药物信息以及服药者吃药状态进行远程、及时的监控，对服药者进行及时的提醒与管控。

整套控制系统的搭建基于核心处理器STM32F103，结合智能药箱配置的各功能要求，实现各模块驱动程序的设计。用户管理界面采用微软基础类库MFC(microsoft foundation classes)设计实现，可以完成相关网络参数的配置；调用应用程序块UIP(user interface process application block)中的接口函数，完成智能药箱客户端与服务器监管端的通信；通过串行外设接口SPI(serial peripheral interface)通信实现相关音频文件的解码与读取；最终采用串行数据传输方式将信息显示在液晶器上。

6 结束语

针对老年人居家用药需求，本文设计了一种配备自动配药功能的智能药箱。其中自动配药模块能够实现各类药物的分块存储，有效避免了药物混合引起的相互污染问题。配药以及服用的整个过程中，药物与外界隔绝，避免了药物的变质，并且可以避免老年人每次服药、拿药对药物的污染。最为重要的是，自动配药模块可以避免老年人漏吃、错吃药物的问题。除此之外，智能药箱整体搭载的智能化模块，极大程度提高了人机交互体验。总之，本设计能够很好地解决老年人吃药问题，对于提高老年人的生活质量、保证老年人用药安全具有实用价值。